• 性能指标
  1. 输出功率
    定义：放大器输出给负载的带内信号的总功率。
  2. 效率
    1)功率增加效率：PAE=（Pout-Pin）/Psupply（输出比输入多的功率/电源上消耗的功率）
    2)漏极效率：

    Pdelivered是放大器输出到下一级的功率。
    漏端效率仅表示直流功耗的输出效率，而功率增加效率还考虑了放大器的驱动信号功率。
  3. 线性度：用三阶交调点和1dB增益压缩点来衡量

  • 设计类型
    大致分为传统功率放大器：class A、B、AB、C和开关功率放大器：class D、E、F

  • 功率匹配和负载线匹配

  1. 理想情况下，负载电阻与电源内阻共轭时，可达到最大功率匹配。
  2. 但PA实际设计中，晶体管有最大电压或最大电流的限制，此时输出的功率并不是最大。所以优化负载条件，使信号源达到最大限制电压和最大限制电流的条件。

  • 传统功率放大器

  1. 通用结构

    1)RF choke电感起交流开路作用，并且在电流达到一定程度大小时，该电感可以视作电流源，提供稳定大小电流，最大稳定电流Vdd^2/RL。
    2)匹配网络：减少晶体管输出一定功率所需承受的峰值电压。

  2. Class A结构
    定义：在整个输入输出范围内，放大器均保持线性工作（线性区），且晶体管均保持导通。

    PS.晶体管随Vds的增加，工作状态分别为线性区、饱和区和截止区，如下图

    依照负载线匹配，Ropt=Vdc/Idc，此时PA输出功率Popt=0.5*VdcIdc，效率为50%。
    （Id<0时输出功率是浪费的）

  3. Class B结构
    定义：将偏置设置为输出器件只在一半周期内开启。

    如图，两个晶体管每个开启一半周期，且栅极偏置电压位于阈值电压附近（负半周期可以保证不导通）

    设Id1=Ipsinwt（0<w<π/w）,若如上图所示使用巴伦，则二级线圈中电流为(m/n)Id1，输出电压为(m/n)Id1RL，传输的平均功率为Pout=[(m/n)Ip]^2RL/2。因为每个晶体管从Vdd抽取的半波整流电流的平均值为Ip/π（积分求周期内电流平均值可得），所以Psupply=2Ip/πVdd。
    所以漏极效率
    当Ip最大时，Ip=Vdd/(m/n)^2    RL，所以

  4. Class AB & Class C
    导通角：晶体管导通在周期内占的比例。可以通过设置栅极偏置电压，调节导通时间比例来实现。

    导通角越小，导通时间越短，效率越高，晶体管传输给负载的功率也越低。
    AB类：导通角大于180°小于360°
    C类：导通角小于180°。最高传输效率可达100%

  • 开关功率放大器：指晶体管只工作在截止与完全导通（线性区）两种状态，电流与电压波形没有重叠，所以晶体管理论上不消耗功耗。

  1. D类功率放大器 理论效率100%

    变压器T1：将输入信号Vin变为差分输入信号，使两个晶体管各只导通半个周期。
    变压器T2：当一个晶体管漏极电压为0时，另一个晶体管漏极有幅值为2Vdc的方波信号，次级线圈产生幅值为Vdc的方波信号。
    RLC串联电路：由方波电压信号产生正弦波形电流信号。（可得流过T2初级线圈的电流也为正弦波形的电流）谐振频率位于功放的工作频率。

    当工作频率远小于晶体管特征频率fT时，晶体管开关延时可以忽略，开关延时不可忽略时，晶体管的损耗较大。所以D类功率放大器适用于较低的频率中，高频性能较差。

  2. E类功率放大器

    E类功放特点：在开关导通瞬间，开关上电压和电压的斜率均为0，减少开关在不完全导通过程中的功率损耗。

E类相对于D类，有三个特点：
1）当M1的漏源电压很大时，M1的漏极电流很小
2）有电流流过M1时，M1的漏源电压很小
3）导通和关断状态切换时间最小化

  1. F类功率放大器：
    电压：基波+高阶奇次谐波→方波 电流：基波+高阶偶次谐波→半个周期的正弦波

    通过控制电路中的高次谐波成分来改善开关两端的电压波形，使其更陡，降低晶体管对功率的损耗。

若驱动信号是一个占空比为50%的方波，则漏极电压信号在载波的所有偶次谐波处短路，奇次谐波处开路，是一个包含各奇次谐波的理想方波；而流过开关的电流中仅包含有基频频率成分和各高阶偶次谐波成分。

F-1类功率放大器：
电压：基波+高阶偶次谐波→半个周期的正弦波 电流：基波+高阶奇次谐波→方波
晶体管漏端看到的基频阻抗为RL，高阶奇次谐波阻抗为0（即短路），而高阶偶次谐波阻抗为无穷大（即开路）

  • 线性化技术：Doherty技术
    原理图：

    主功率放大器的功率较大，辅助放大器功率较小。当主功率放大器的功率增加到一定程度后，线性度就会开始下降，此时辅助放大器开始输出功率，补偿主功率放大器的功率压缩。

    问题：1）如何划定主功率放大器和辅助功率放大器分别起作用的阈值？
    2）如何解决两个放大器之间的耦合？

单端PA与差分PA的优缺点分析：

  1. 实际应用中，PA前端的接收机一般采用双端输出，而PA一般采用单端输入，则接收机有一半的功率被浪费。虽然可以在上变频器和PA间使用巴伦来实现单双端转换，但是会引入巴伦的自身损耗。
  2. 一方面，单端PA会从电源抽取一个巨大的瞬时电流，而差分结构两端电流保持等大反向，总体基本保持不变。另一方面，芯片对地线和电源线的键合线会引入寄生电感。当这个寄生电感的大小足够大时，会使输出级信号通过电源线返回前级，也会引入对地的反馈回路，降低输出级性能。但差分结构由于抽取电流较小，对电感的敏感度不高，输出性能较好。
  3. 差分PA与本振的的耦合更小，可以减小本振频率牵引。